KR102412124B1 - Non-uniform microchannel network system - Google Patents

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KR102412124B1 KR1020200111429A KR20200111429A KR102412124B1 KR 102412124 B1 KR102412124 B1 KR 102412124B1 KR 1020200111429 A KR1020200111429 A KR 1020200111429A KR 20200111429 A KR20200111429 A KR 20200111429A KR 102412124 B1 KR102412124 B1 KR 102412124B1
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김성재
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Abstract

본 발명의 일 관점에 따르면, 비균등 구조를 가지는 마이크로 채널 네트워크 시스템이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 전해질 물질이 수용되는 제1 유체이동로 및 제2 유체이동로; 상기 제1 유체이동로 및 제2 유체이동로 사이에 개재되고, 상기 제1 유체이동로 및 제2 유체이동로 간에 전기장이 인가될 경우 이온을 선택적으로 투과시키는 이온 선택성 멤브레인; 및 상기 제1 유체이동로 내부에 길이방향으로 서로 평행하게 병렬로 신장되는 복수의 제3 유체이동로를 포함하되, 상기 제3 유체이동로의 일단부 및 타단부는 개방되어 유체의 출입이 가능하게 형성되고, 상기 제3 유체이동로는 인접한 유체이동로의 폭이 서로 상이하게 형성되는 비균등 구조일 수 있다.According to one aspect of the present invention, there is provided a micro-channel network system having a non-uniform structure. According to an embodiment of the present invention, the first fluid passage and the second fluid passage in which the electrolyte material is accommodated; an ion selective membrane interposed between the first and second fluid passages and selectively permeating ions when an electric field is applied between the first and second fluid passages; and a plurality of third fluid passages extending in parallel and parallel to each other in the longitudinal direction inside the first fluid passageway, wherein one end and the other end of the third fluid passageway are opened to allow the fluid to enter and exit. The third fluid passage may have a non-uniform structure in which widths of adjacent fluid passages are different from each other.

Description

비균등 구조를 가지는 마이크로 채널 네트워크 시스템{Non-uniform microchannel network system}Microchannel network system having a non-uniform structure {Non-uniform microchannel network system}

본 발명은 비균등 구조를 가지는 마이크로 채널 네트워크 시스템에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 마이크로 채널 네트워크에서의 결정 생성 방지를 위한 비균등 구조 설계에 대한 것이다.The present invention relates to a micro-channel network system having a non-uniform structure, and more particularly, to a non-uniform structure design for preventing crystal formation in a micro-channel network.

양이온 투과선택성 나노막 양단에 전위차를 인가하면, 양극(anode)방향에는 이온공핍층(ion depletion layer)이 형성되며 음극(cathode)방향에는 이온과다층(ion enrichment layer)이 형성되는 이온농도분극(ion concentration polarization)이 일어난다. 음이온 투과선택성 나노막의 경우, 이와 반대로 양극 방향에 이온과다층이 형성되며 음극방향에는 이온공핍층이 형성된다. 이온농도분극 현상은 탈염 또는 분리농축 기술의 기본 기작으로 널리 사용되지만, 작동의 부산물이 미세 유체 채널에 축적될 수 있고, 이는 투과선택성 나노막 또는 마이크로 채널의 성능 저하로 이어질 수 있다. 따라서 퇴적물을 제거하기 위해 미세 유체 장치를 주기적으로 세척 또는 교체해야 하며 이는 유지보수 비용을 발생시키는 문제가 있다.When a potential difference is applied to both ends of the cation permeation-selective nanomembrane, an ion depletion layer is formed in the anode direction and an ion enrichment layer is formed in the cathode direction. ion concentration polarization) occurs. In the case of an anion-permeable nanomembrane, on the contrary, an ion-rich layer is formed in the anode direction and an ion-depletion layer is formed in the cathode direction. Although the ion concentration polarization phenomenon is widely used as a basic mechanism of desalting or separation and concentration techniques, byproducts of operation may accumulate in microfluidic channels, which may lead to degradation of permeselective nanomembrane or microchannel performance. Therefore, it is necessary to periodically clean or replace the microfluidic device to remove deposits, which incurs maintenance costs.

균일하지 않은 크기 분포를 가진 병렬 마이크로 채널 배열에서 이온농도분극 현상이 일어날 때, 비균등성이 증가할수록 전기전도도가 커진다고 보고된 바 있다. 이는 비균등 구조에서 발생하는 내부 재순환 흐름(internal recirculation flow)에 의해 부가적인 이온 수송이 증가하였기 때문이다. 그러나, 단일 채널이 아닌 여러 개의 연결된 기공 또는 채널 네트워크에서의 효과는 입증되지 않았고, 마이크로 채널 내 고체 퇴적물의 생성 및 성장을 효과적으로 억제하는 네트워크 구조 역시 제시된 바 없다.It has been reported that, when ion concentration polarization occurs in a parallel microchannel array with non-uniform size distribution, as the non-uniformity increases, the electrical conductivity increases. This is because the additional ion transport is increased by the internal recirculation flow occurring in the heterogeneous structure. However, the effect in multiple connected pores or channel networks rather than a single channel has not been demonstrated, and a network structure that effectively inhibits the formation and growth of solid deposits in microchannels has not been suggested either.

등록특허 제10-0767277호Registered Patent No. 10-0767277

본 발명은 미세 유체 장치 내 고체 퇴적물의 생성 및 성장을 효과적으로 억제함으로써 전류 안정성을 향상시켜 장치의 작동 수명과 효율을 획기적으로 증가시키는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.An object of the present invention is to improve current stability by effectively inhibiting the generation and growth of solid deposits in a microfluidic device, thereby remarkably increasing the operating life and efficiency of the device. However, these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereto.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 비균등 구조를 가지는 마이크로 채널 네트워크 시스템이 제공된다. According to one aspect of the present invention for achieving the above object, there is provided a micro-channel network system having a non-uniform structure.

상기 마이크로 채널 네트워크 시스템은, 전해질 물질이 수용되는 제1 유체이동로 및 제2 유체이동로; 상기 제1 유체이동로 및 제2 유체이동로 사이에 개재되고, 상기 제1 유체이동로 및 제2 유체이동로 간에 전기장이 인가될 경우 이온을 선택적으로 투과시키는 이온 선택성 멤브레인; 및 상기 제1 유체이동로 내부에 길이방향으로 서로 평행하게 병렬로 신장되는 복수의 제3 유체이동로를 포함하되, 상기 제3 유체이동로의 일단부 및 타단부는 개방되어 유체의 출입이 가능하게 형성되고, 상기 제3 유체이동로는 인접한 유체이동로의 폭이 서로 상이하게 형성되는 비균등 구조일 수 있다. The microchannel network system may include: a first fluid passageway and a second fluid passageway in which an electrolyte material is accommodated; an ion selective membrane interposed between the first and second fluid passages and selectively permeating ions when an electric field is applied between the first and second fluid passages; and a plurality of third fluid passages extending in parallel and parallel to each other in the longitudinal direction inside the first fluid passageway, wherein one end and the other end of the third fluid passageway are opened to allow the fluid to enter and exit. The third fluid passage may have a non-uniform structure in which widths of adjacent fluid passages are different from each other.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 복수의 제3 유체이동로 중, 폭이 넓은 유체이동로와 폭이 좁은 유체이동로 간 이동속도 차이로 인해 전해질 물질이 순환될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the electrolyte material may be circulated due to a difference in movement speed between the wide fluid passage and the narrow fluid passage among the plurality of third fluid passages.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 전해질 물질이 상기 제3 유체이동로의 개방된 단부를 통해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 순환될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the electrolyte material may be circulated in a clockwise or counterclockwise direction through the open end of the third fluid passage.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제3 유체이동로가 3차원 채널인 경우 인접한 제3 유체이동로의 단면적이 서로 상이하게 형성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, when the third fluid passage is a three-dimensional channel, cross-sectional areas of adjacent third fluid passages may be formed to be different from each other.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 유체이동로의 타단부에는 적어도 하나의 사이드 채널이 형성되어 상기 제1 유체이동로가 개방되며, 상기 사이드 채널을 통해 상기 전해질 물질이 이동할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, at least one side channel is formed at the other end of the first fluid passage to open the first fluid passage, and the electrolyte material can move through the side channel.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 유체이동로는 상기 이온 선택성 멤브레인과 인접한 영역에 이온 공핍 영역(ion depletion zone)이 형성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an ion depletion zone may be formed in a region adjacent to the ion selective membrane in the first fluid passageway.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 복수의 제3 유체이동로는 상기 제1 유체이동로 내부에 길이방향으로 서로 평행하게 병렬로 배열되는 다수의 격벽에 의해 구획될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the plurality of third fluid passageways may be partitioned by a plurality of partition walls arranged in parallel and parallel to each other in the longitudinal direction inside the first fluid passageway.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 유체이동로 및 제2 유체이동로 중 적어도 하나는 파이프 형태일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, at least one of the first fluid flow path and the second fluid flow path may be in the form of a pipe.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 이온 선택성 멤브레인은 나피온(Nafion) 재질일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the ion-selective membrane may be made of a Nafion material.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제3 유체이동로의 비균등 구조로 인해 이온 농축에 의한 결정의 생성이 억제될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the formation of crystals due to ion concentration may be suppressed due to the non-uniform structure of the third fluid passageway.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 기술 사상을 따른 마이크로 채널 네트워크 시스템에 의하면, 외부 에너지의 투입, 유체 장치의 표면 처리, 또는 전해질 용액의 화학적 처리 과정 없이 마이크로 채널의 구조적 비균등성으로 재순환 흐름을 유도하여 이온 농축에 의한 결정의 생성과 성장을 억제하고 이온 전기전도도를 향상시킬 수 있다. According to the microchannel network system according to the technical idea of the present invention made as described above, the recirculation flow is induced by the structural non-uniformity of the microchannel without the input of external energy, the surface treatment of the fluid device, or the chemical treatment of the electrolyte solution. It is possible to suppress the formation and growth of crystals by ion concentration and to improve ionic electrical conductivity.

또한, 본 발명의 마이크로 채널 네트워크 시스템을 포함하는 미세유체장치는 균등 구조에 비해 장시간 안정적인 구동이 가능하며 전력 효율이 높은 효과가 있다. In addition, the microfluidic device including the microchannel network system of the present invention can be operated stably for a long time compared to an equivalent structure and has an effect of high power efficiency.

또한, 본 발명의 마이크로 채널 네트워크 시스템은, 담수화 장치에서 퇴적물의 생성 및 채널 폐색을 획기적으로 감소시킬 수 있다.In addition, the micro-channel network system of the present invention can significantly reduce the generation of sediment and channel blockage in the desalination apparatus.

또한, 본 발명의 마이크로 채널 네트워크 시스템은, 전기투석 장치에서 탄산칼슘의 퇴적을 억제하거나 유체의 흐름 속도를 바꿈으로써 퇴적의 형태(morphology)를 조절하는 데에 응용될 수 있다.In addition, the microchannel network system of the present invention can be applied to control the morphology of the deposition by inhibiting the deposition of calcium carbonate or changing the flow rate of the fluid in the electrodialysis apparatus.

그러나 이러한 효과는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these effects are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereto.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 채널 네트워크 시스템을 도식화한 것으로서, (a)는 비균등 마이크로 채널을 나타내고, (b)는 마이크로 채널에서 이온 농도 분극(ICP; Ion Concentration Polarization) 현상을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 있어서, 한 쌍의 단일한 비균등 구조를 가지는 마이크로 채널에서의 유체 흐름을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 채널 네트워크 시스템에서 사이드 채널이 형성된 모습을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어서 파이프 형태의 유체이동로를 포함하는 마이크로 채널 네트워크 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어서 채널 형태의 유체이동로를 포함하는 마이크로 채널 네트워크 시스템을 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 비균등 구조 마이크로 채널의 양극(anodic)단에서 일어나는 재순환 흐름을 시각화하여 나타낸 사진이다.
도 7은 (a) 균등 구조와 (b) 비균등 구조 마이크로 채널에서 외부전기장에 의해 발달한 이온공핍층(ion depletion zone)을 시각화하여 나타낸 사진이다.
도 8은 일정 전압 하에서 균등 구조 및 비균등 구조의 시간에 따른 전류값 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 있어서 전해질 물질로 채워진 (a) 비균등 구조 및 (b) 균등 구조의 마이크로 채널에 결정이 생성된 모습을 나타낸 사진이다.1 is a schematic diagram of a microchannel network system according to an embodiment of the present invention, wherein (a) shows a non-uniform microchannel, (b) shows an ion concentration polarization (ICP) phenomenon in the microchannel .
2 is a schematic diagram illustrating a fluid flow in a microchannel having a pair of single non-uniform structures according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram illustrating a state in which a side channel is formed in a micro-channel network system according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram showing a microchannel network system including a pipe-type fluid passage in one embodiment of the present invention.
5 is a perspective view illustrating a micro-channel network system including a channel-type fluid flow path according to an embodiment of the present invention.
6 is a photograph showing a visualization of the recirculation flow occurring at the anodic end of the microchannel with a non-uniform structure according to an embodiment of the present invention.
7 is a photograph showing the visualization of an ion depletion zone developed by an external electric field in (a) uniform structure and (b) non-uniform structure microchannel.
8 is a graph showing changes in current values according to time of an even structure and a non-uniform structure under a constant voltage.
9 is a photograph showing a state in which crystals are generated in microchannels of (a) non-uniform structure and (b) uniform structure filled with an electrolyte material in an embodiment of the present invention.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예들은 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0012] DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0010] DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0010] Reference is made to the accompanying drawings, which show by way of illustration specific embodiments in which the present invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the present invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, and characteristics described herein with respect to one embodiment may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention. In addition, it should be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the following detailed description is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if properly described, is limited only by the appended claims, along with all scope equivalents to those claimed. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions in various aspects, and may be exaggerated for convenience.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, in order to enable those of ordinary skill in the art to easily practice the present invention, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 있어서, 전해질 물질이라 함은, 농축으로 인한 침전 및 결정화가 예상되는 물질로서, 이온을 포함하는 물질, 전기장에 의해 유전분극이 일어날 수 있는 미립자를 포함하는 물질을 의미한다. 전해질 물질은 체액, 혈액, 미세조류, 해수, 기타 유체 등이 이에 해당될 수 있고, 무기물 이온에는 대표적으로 칼슘, 마그네슘, 탄산염(calcium), 황산염(sulfate), 인산염(phosphate) 등이 이에 해당될 수 있다. 다만, 이러한 예로서 제한되는 것은 아니다.In the present invention, the term "electrolyte material" refers to a material that is expected to precipitate and crystallize due to concentration, and refers to a material containing ions and a material containing fine particles capable of causing dielectric polarization by an electric field. The electrolyte material may include body fluids, blood, microalgae, seawater, and other fluids. Examples of inorganic ions include calcium, magnesium, carbonate, sulfate, and phosphate. can However, it is not limited to this example.

도 1에는 본 발명의 일 실시예를 따르는 마이크로 채널 네트워크 시스템이 나타나 있다. 1 shows a micro-channel network system according to an embodiment of the present invention.

도 1의 (a)를 참조하면, 마이크로 채널 네트워크 시스템은 가운데에 이온 선택성 멤브레인(50)이 배치되고, 이온 선택성 멤브레인(50)에 접하는 측면이 폐쇄(dead-end)된 제1 유체이동로(10) 및 제2 유체이동로(20)가 양측에 배치되어 있는 구조이다. 제1 유체이동로(10)는 내부에 길이방향으로 서로 평행하게 병렬로 배열되는 다수의 격벽(40)이 형성되고, 격벽(40)에 의해 복수의 제3 유체이동로(30)가 구획되어 있다. Referring to Fig. 1 (a), in the microchannel network system, an ion-selective membrane 50 is disposed in the center, and a side contacting the ion-selective membrane 50 is closed (dead-end) in a first fluid passageway ( 10) and the second fluid passage 20 are arranged on both sides. The first fluid passage 10 has a plurality of partition walls 40 arranged in parallel to each other in the longitudinal direction therein, and a plurality of third fluid passages 30 are partitioned by the partition wall 40 , have.

도 1의 (b)와 같이, 양이온 선택성 멤브레인(50)이 존재하는 유체이동로(10, 20)에 전기를 가하면 양이온만 막을 통과하고 음이온은 통과하지 못하게 되면서, 멤브레인(50) 경계면에서 이온들의 공핍과 과다에 의한 이온 공핍 영역(ion depletion zone; D)[또는, 이온 공핍층]과 이온 과다 영역(ion enrichment zone; E)[또는, 이온 과다층]이 나타난다. 이는 이온 농도 분극(ICP; Ion Concentration Polarization) 현상으로서, 이온 공핍 영역(D) 경계면 주위에서 소용돌이(vortex)가 형성되고, 전하를 띄고 있는 입자나 세포, 액적 등이 이온 공핍 영역의 경계면에서 이온들의 전기적 반발력에 영향을 받아 밀려나게 된다. 이온 공핍 영역(D)에서는 전류를 전달할 수 있는 캐리어의 양이 희박하기 때문에 저항(Rdep)이 매우 커지게 되고 그로 인해 전류는 잘 흐르지 않게 된다. As shown in Fig. 1 (b), when electricity is applied to the fluid passages 10 and 20 in which the cation-selective membrane 50 is present, only positive ions pass through the membrane and anions do not pass, and at the interface of the membrane 50, the ions An ion depletion zone (D) (or ion depletion layer) and an ion enrichment zone (E) (or ion abundance layer) due to depletion and excess appear. This is an ion concentration polarization (ICP) phenomenon. A vortex is formed around the interface of the ion depletion region (D), and charged particles, cells, droplets, etc. It is pushed back under the influence of electrical repulsion. In the ion depletion region (D), the resistance (R dep ) becomes very large because the amount of carriers capable of passing the current is small, and thus the current does not flow well.

이러한 이온 공핍 영역(D)의 저항을 제어하고 전기전도도를 높이기 위해, 본 발명에서는 인접한 제3 유체이동로(30)의 폭이 서로 상이한 비균등 구조를 제안하여 마이크로 채널 사이 유체의 재순환 흐름(recirculation flow)을 가능하게 하였다. 비균등 구조로 유체의 재순환 흐름을 유도하게 되면, 이온수에 용해된 이온이 채널 내부에서 결정으로 석출되는 것을 방지하고 입자들이 채널 벽면에 붙을 확률이 낮아진다. 따라서, 퇴적물을 제거하기 위해 미세 유체 장치를 주기적으로 세척 또는 교체할 필요가 현저히 낮아진다.In order to control the resistance of the ion depletion region D and increase the electrical conductivity, the present invention proposes a non-uniform structure in which the widths of the adjacent third fluid passages 30 are different from each other, thereby recirculating the fluid between the microchannels. flow) was enabled. If the recirculation flow of the fluid is induced with a non-uniform structure, the ions dissolved in the ion water are prevented from being precipitated as crystals inside the channel, and the probability of particles adhering to the channel wall is reduced. Thus, the need for periodic cleaning or replacement of the microfluidic device to remove deposits is significantly reduced.

유체의 재순환 흐름(recirculation flow)을 원활하게 하기 위해 제3 유체이동로(30)의 일단부 및 타단부가 개방되고, 이로 인해 전해질 물질이 시계 방향 또는 반시계 방향으로 순환될 수 있다. In order to facilitate the recirculation flow of the fluid, one end and the other end of the third fluid passage 30 are opened, whereby the electrolyte material may be circulated in a clockwise or counterclockwise direction.

도 2는 한 쌍의 단일한 비균등 구조를 가지는 마이크로 채널에서의 유체 흐름을 나타내는 개략도이다. 여기서, 마이크로 채널은 이온 선택성 멤브레인과 인접한 영역에 이온 공핍 영역(ion depletion zone)이 형성되는 채널에 해당한다. 도 2를 참조하여 유체의 재순환 흐름에 대해 보다 구체적으로 살펴보면, 먼저 마이크로 채널에 전기장이 가해지면 전기 삼투 흐름이 각 유체이동로에서 생성된다. 각 유체이동로의 흐름 속도는 다음과 같다.2 is a schematic diagram showing a fluid flow in a microchannel having a pair of single non-uniform structures. Here, the microchannel corresponds to a channel in which an ion depletion zone is formed in a region adjacent to the ion selective membrane. Referring more specifically to the recirculation flow of the fluid with reference to FIG. 2 , when an electric field is first applied to the microchannel, an electroosmotic flow is generated in each fluid passage. The flow velocity of each fluid path is as follows.

Figure 112020092653742-pat00001
Figure 112020092653742-pat00001

(여기서, ε은 전해질 물질의 유전 상수, ζ는 제타 전위, E는 전기장, h i 는 마이크로 채널의 폭, d는 마이크로 채널의 깊이, μ는 유체의 점도이다.) (Where ε is the dielectric constant of the electrolyte material, ζ is the zeta potential, E is the electric field, hi is the width of the microchannel , d is the depth of the microchannel, and μ is the viscosity of the fluid.)

이때, 마이크로 채널의 양단에 압력차(ΔP)가 발생하여 압력 구동 흐름이 전기 삼투 흐름과 반대 방향으로 유도되고, 이 때의 유량은 QPi로서 채널의 폭(h i )에 의해 결정된다. 즉, 마이크로 채널의 폭(h i )이 서로 상이하게 형성되는 비균등 구조에서는 폭이 넓은 이동로와 폭이 좁은 이동로 간 이온의 이동 속도 및 방향의 차이가 발생한다. 압력 구배는 두 유체이동로에서 결합된 압력 및 전기 삼투로 인한 재순환 흐름이 0이 되도록 스스로 조정된다. 결과적으로 유체의 재순환 흐름이 루프로 형성된다.At this time, a pressure difference ( ΔP ) is generated at both ends of the microchannel, and the pressure driven flow is induced in the opposite direction to the electroosmotic flow, and the flow rate at this time is Q Pi and is determined by the channel width ( h i ). That is, in a non-uniform structure in which the widths ( h i ) of the microchannels are formed to be different from each other, a difference in the movement speed and direction of ions occurs between a wide passage and a narrow passage. The pressure gradient self-adjusts so that the recirculation flow due to combined pressure and electroosmosis in the two flow paths is zero. As a result, the recirculating flow of fluid is formed into a loop.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 채널 네트워크 시스템에서 사이드 채널이 형성된 모습을 나타내는 개략도이다. 3 is a schematic diagram illustrating a state in which a side channel is formed in a micro-channel network system according to an embodiment of the present invention.

도 3에서와 같이, 이온 공핍 영역(D)이 존재하는 제1 유체이동로 (10)에 사이드 채널(11)을 만들어 유체 주입을 원활하게 하고 필요 시 유체를 교체할 때 사용할 수 있다. 제1 유체이동로(10)가 양극(anode) 채널이고, 양극에 사이드 채널(11)을 형성하여 전해질 물질이 흐르도록 장치를 제작한 것으로, hn = 13.5 um, hw = 31.5 um인 비균등 구조이다. As shown in FIG. 3 , a side channel 11 is formed in the first fluid passage 10 in which the ion depletion region D exists to facilitate fluid injection and can be used to replace the fluid if necessary. The first fluid passageway 10 is an anode channel, and a device is manufactured so that an electrolyte material flows by forming a side channel 11 on the anode, h n = 13.5 um, h w = 31.5 um It is an equal structure.

도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 채널 네트워크 시스템을 파이프 형태 및 채널 형태로 각각 구현한 것이다. 도 4를 참조하면, 3차원 원기둥 형태의 격벽에 의해 복수의 유체이동로(30)가 서로 평행하게 병렬로 신장되며, 복수의 유체이동로 중 적어도 하나는 나머지 유체이동로와 단면적이 상이하게 형성됨을 알 수 있다. 파이프 형태의 마이크로 채널 네트워크 시스템은 이온농도분극을 이용한 담수화 장치에 적용할 수 있다. 도 5를 참조하면, 제1, 2 유체이동로(10, 20)는 이온 선택성 멤브레인(50)을 사이에 두고 대칭적으로 접합되나, 채널의 깊이는 동일하게 형성된다. 제1 유체이동로(10)는 내부에 길이방향으로 서로 평행하게 병렬로 신장되는 복수의 제3 유체이동로(30) 및 격벽(40)을 포함한다. 4 and 5 show a micro-channel network system according to an embodiment of the present invention implemented in a pipe form and a channel form, respectively. Referring to FIG. 4 , a plurality of fluid passages 30 are extended in parallel and in parallel with each other by a three-dimensional cylindrical partition wall, and at least one of the plurality of fluid passages is formed to have a different cross-sectional area than that of the other fluid passageways. can be known The pipe-type microchannel network system can be applied to desalination devices using ion concentration polarization. Referring to FIG. 5 , the first and second fluid passages 10 and 20 are symmetrically joined with the ion selective membrane 50 interposed therebetween, but the depths of the channels are the same. The first fluid passageway 10 includes a plurality of third fluid passageways 30 and partition walls 40 extending in parallel and parallel to each other in the longitudinal direction therein.

이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예들을 설명한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments for helping understanding of the present invention will be described. However, the following examples are provided only to help the understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited only to the following examples.

<실시예> <Example>

도 3은 재순환 흐름의 실험적 증명을 위해 설계한 비균등 마이크로 채널 구조이며, 각 채널은 너비 1 mm, 길이 6 mm, 높이 15 ㎛이고, 23개의 평행한 마이크로 채널들로 이루어져 있다. 인접한 두 마이크로 채널의 너비가 h w = 31.5 ㎛, h n = 13.5 ㎛으로 다르게 형성하였다.3 is a non-uniform microchannel structure designed for experimental proof of recirculation flow, each channel having a width of 1 mm, a length of 6 mm, and a height of 15 μm, and consists of 23 parallel microchannels. Two adjacent microchannels were formed to have different widths, h w = 31.5 μm, and h n = 13.5 μm.

<비교예> <Comparative example>

모든 마이크로 채널이 동일한 폭(h w = h n = 22.5 ㎛)을 가지는 균등 구조의 마이크로 채널 네트워크를 형성하였다. A microchannel network of uniform structure was formed in which all microchannels had the same width ( h w = h n = 22.5 μm).

<실험예 1><Experimental Example 1>

올레산(oleic acid) 미세 방울로 유체의 재순환 흐름을 추적하여 도 6에 나타내었다. 마이크로 채널의 양극(anodic)단에서 빨강, 파랑 화살표는 1 mM의 KCl 수용액 내 분산된 올레산(oleic acid) 방울 중 두 개를 나타내며 각 사진은 8초 간격으로 촬영되었다. 전해질 KCl 1mM 수용액 내에 균일하게 분포되어 있던 올레산 미세 방울은 5 V의 일정 전압이 걸렸을 때 넓은 마이크로 채널(h w = 31.5 ㎛)에서 좁은 마이크로 채널(h n = 13.5 ㎛)로 이동하며, 재순환 경로를 확인할 수 있다. The recirculation flow of the fluid with oleic acid microdroplets was traced and shown in FIG. 6 . At the anodic end of the microchannel, red and blue arrows indicate two of the droplets of oleic acid dispersed in 1 mM KCl aqueous solution, and each picture was taken at 8 second intervals. The oleic acid microdroplets, which were uniformly distributed in the electrolyte KCl 1mM aqueous solution, moved from a wide microchannel ( h w = 31.5 μm) to a narrow microchannel ( h n = 13.5 μm) when a constant voltage of 5 V was applied, and changed the recirculation path. can be checked

<실험예 2><Experimental Example 2>

상기 실시예 및 비교예에 따른 마이크로 채널에 형광 염료(Alexa Fluor® 488)가 포함된 전해질을 이용해 균등 구조와 비균등 구조에서 외부전기장에 의한 이온공핍층의 발달을 확인하였다. 도 7(a)의 균등 구조에서 이온공핍층은 모든 마이크로 채널에서 동일한 속도로 발달하는 반면, 도 7(b)의 비균등 구조에서는 이온공핍층이 좁은 마이크로 채널에 비해 넓은 마이크로 채널에서 더 빠르게 발달하므로 넓은 채널에서 좁은 채널로 재순환 흐름이 존재함을 보여준다.The development of an ion depletion layer by an external electric field was confirmed in both uniform and non-uniform structures using an electrolyte containing a fluorescent dye (Alexa Fluor® 488) in the microchannels according to the Examples and Comparative Examples. In the uniform structure of Fig. 7(a), the ion-depletion layer develops at the same rate in all microchannels, whereas in the non-uniform structure of Fig. 7(b), the ion-depletion layer develops more rapidly in the wide microchannel than in the narrow microchannel. Therefore, it shows that there is a recirculation flow from the wide channel to the narrow channel.

<실험예 3><Experimental Example 3>

상기 실시예 및 비교예에 따른 마이크로 채널에 일정 전압을 적용하였을 때 시간에 따른 전류값 변화를 도 8에 나타내었다. 도 8의 (a), (c)는 균등 배열 구조 장치를 각각 일정 전압 5 V 또는 10 V로 1000분(약 16시간) 동안 연속적으로 작동시키는 동안 시간에 따른 전류값의 변화를 나타내며, 도 8의 (b), (d)는 비균등 배열 구조 장치를 각각 일정 전압 5 V 또는 10 V로 작동 시킬 때의 전류 결과이다. 균등 구조 장치에서 전류값이 안정값의 ±43% 이내에서 크게 변동하는 반면, 비균등 구조 장치에서는 전류가 안정적이며 같은 구동 전압 하에서 전류값이 높아 전기전도도 또한 높게 나타남을 알 수 있다.8 shows changes in current values with time when a constant voltage is applied to the microchannels according to the Examples and Comparative Examples. 8 (a) and (c) show the change in the current value with time while continuously operating the uniform arrangement structure device at a constant voltage of 5 V or 10 V for 1000 minutes (about 16 hours), respectively, FIG. (b) and (d) of (b) and (d) are the current results when the unequal arrangement structure device is operated with a constant voltage of 5 V or 10 V, respectively. It can be seen that the current value fluctuates greatly within ±43% of the stable value in the uniform structure device, whereas the current is stable in the non-uniform structure device and the electric conductivity is also high due to the high current value under the same driving voltage.

<실험예 4><Experimental Example 4>

10 mM의 농도를 가진 염화칼슘(CaCl2) 수용액을 전해질로 사용하여 상기 실시예 및 비교예에 따른 배열 구조에서 결정 생성 억제 효과를 확인하였다. 이는 이온농도분극 현상이 담수화 장치에 사용될 때를 고려하여 실제 바닷물의 칼슘 이온(Ca2+) 농도를 모사한 것이다. Calcium chloride (CaCl 2 ) aqueous solution having a concentration of 10 mM was used as an electrolyte to confirm the effect of inhibiting crystal formation in the arrangement structure according to the Examples and Comparative Examples. This simulates the actual concentration of calcium ions (Ca 2+ ) in seawater considering when the ion concentration polarization phenomenon is used in desalination devices.

도 9의 (b)는 1000분의 연속작동 후 비교예에 따른 균등 배열 구조에서 나타난 수산화칼슘(Ca(OH)2) 결정을 현미경으로 관측한 사진이다. 결정은 장치 내 임의의 위치에서 발생하였고 유체 장치의 전류 안정성을 저하시키는 원인으로 지목된다. 이에 반해, 도 9의 (a)에 도시한 비균등 배열 구조에서는 결정의 생성과 그에 따른 마이크로 채널의 폐색(blocking) 발생 빈도가 현저히 낮음을 확인할 수 있다. 9 (b) is a microscopic photograph of calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ) crystals shown in the uniform arrangement structure according to Comparative Example after 1000 minutes of continuous operation. The crystal occurred at any location in the device and is blamed for lowering the current stability of the fluid device. On the other hand, in the non-uniform arrangement structure shown in FIG. 9(a), it can be seen that the frequency of generation of crystals and blocking of microchannels is significantly low.

본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.Although the present invention has been illustrated and described with reference to preferred embodiments as described above, it is not limited to the above-described embodiments and is not limited to the above-described embodiments, and various methods can be made by those of ordinary skill in the art to which the invention pertains without departing from the spirit of the present invention. Transformation and change are possible. Such modifications and variations are intended to fall within the scope of the present invention and the appended claims.

10: 제1 유체이동로
11: 사이드 채널
20: 제2 유체이동로
30: 제3 유체이동로
40: 격벽
50: 이온 선택성 멤브레인
D: 이온 공핍 영역
E: 이온 과다 영역10: first fluid passage
11: side channel
20: second fluid passage
30: third fluid passage
40: bulkhead
50: ion selective membrane
D: ion depletion region
E: ion-rich region

Claims (10)

전해질 물질이 수용되는 제1 유체이동로 및 제2 유체이동로;
상기 제1 유체이동로 및 제2 유체이동로 사이에 개재되고, 상기 제1 유체이동로 및 제2 유체이동로 간에 전기장이 인가될 경우 이온을 선택적으로 투과시키는 이온 선택성 멤브레인; 및
상기 제1 유체이동로 내부에 길이방향으로 서로 평행하게 병렬로 신장되는 복수의 제3 유체이동로를 포함하되,
상기 제3 유체이동로의 일단부 및 타단부는 개방되어 유체의 출입이 가능하게 형성되고,
상기 제3 유체이동로는 인접한 유체이동로의 폭이 서로 상이하게 형성되는 비균등 구조이되,
상기 제3 유체이동로 내부의 유체 흐름은 상기 이온 선택성 멤브레인에 인가된 전기장에 의한 것인,
마이크로 채널 네트워크 시스템.a first fluid passageway and a second fluid passageway in which the electrolyte material is accommodated;
an ion-selective membrane interposed between the first and second fluid passages and selectively permeating ions when an electric field is applied between the first and second fluid passages; and
A plurality of third fluid passageways extending in parallel to each other in the longitudinal direction in the first fluid passageway are included,
One end and the other end of the third fluid passage are opened to allow the fluid to enter and exit,
The third fluid passageway has a non-uniform structure in which the widths of adjacent fluid passageways are different from each other,
The fluid flow inside the third fluid passage is due to an electric field applied to the ion selective membrane,
Micro-channel network system. 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 제3 유체이동로 중, 폭이 넓은 유체이동로와 폭이 좁은 유체이동로 간 이동속도 차이로 인해 전해질 물질이 순환되는,
마이크로 채널 네트워크 시스템. The method of claim 1,
Among the plurality of third fluid passages, the electrolyte material is circulated due to the difference in movement speed between the wide and narrow fluid passages,
Micro-channel network system. 제 2 항에 있어서,
상기 전해질 물질이 상기 제3 유체이동로의 개방된 단부를 통해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 순환되는,
마이크로 채널 네트워크 시스템.3. The method of claim 2,
wherein the electrolyte material is circulated in a clockwise or counterclockwise direction through the open end of the third fluid passage.
Micro-channel network system. 제 1 항에 있어서,
상기 제3 유체이동로가 3차원 채널인 경우 인접한 제3 유체이동로의 단면적이 서로 상이하게 형성되는,
마이크로 채널 네트워크 시스템.The method of claim 1,
When the third fluid passageway is a three-dimensional channel, cross-sectional areas of adjacent third fluid passageways are formed to be different from each other,
Micro-channel network system. 제 1 항에 있어서,
상기 제1 유체이동로의 타단부에는 적어도 하나의 사이드 채널이 형성되어 상기 제1 유체이동로가 개방되며, 상기 사이드 채널을 통해 상기 전해질 물질이 이동하는,
마이크로 채널 네트워크 시스템. The method of claim 1,
At least one side channel is formed at the other end of the first fluid path to open the first fluid path, and the electrolyte material moves through the side channel,
Micro-channel network system. 제 1 항에 있어서,
상기 제1 유체이동로는 상기 이온 선택성 멤브레인과 인접한 영역에 이온 공핍 영역(ion depletion zone)이 형성되는,
마이크로 채널 네트워크 시스템.The method of claim 1,
In the first fluid flow path, an ion depletion zone is formed in a region adjacent to the ion selective membrane,
Micro-channel network system. 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 제3 유체이동로는 상기 제1 유체이동로 내부에 길이방향으로 서로 평행하게 병렬로 배열되는 다수의 격벽에 의해 구획되는,
마이크로 채널 네트워크 시스템.The method of claim 1,
The plurality of third fluid passageways are partitioned by a plurality of partition walls arranged in parallel in parallel to each other in the longitudinal direction inside the first fluid passageway,
Micro-channel network system. 제 1 항에 있어서,
상기 제1 유체이동로 및 제2 유체이동로 중 적어도 하나는 파이프 형태인,
마이크로 채널 네트워크 시스템.The method of claim 1,
At least one of the first and second fluid passages is in the form of a pipe,
Micro-channel network system. 제 1 항에 있어서,
상기 이온 선택성 멤브레인은 나피온(Nafion) 재질인,
마이크로 채널 네트워크 시스템.The method of claim 1,
The ion-selective membrane is a Nafion material,
Micro-channel network system. 제 1 항에 있어서,
상기 제3 유체이동로의 비균등 구조로 인해 이온 농축에 의한 결정의 생성이 억제되는,
마이크로 채널 네트워크 시스템.The method of claim 1,
The generation of crystals due to ion concentration is suppressed due to the non-uniform structure of the third fluid passageway,
Micro-channel network system.
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